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SpaceX的“星链”究竟特殊在哪里?

发布日期: 2019-07-25
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SpaceX的“星链”究竟特殊在哪里?




作者 | 梁晓莉、李云(中国航 天系统科学与工程研究院)


SpaceX的“星链”究竟特殊在哪里?

2019年5月24日,美国太 空探索技术公司(SpaceX)利用“猎鹰”9火箭发射60颗“星链”低轨卫 星互联网星座的试验卫星,与2018年2月发射的2颗试验卫星配合,进一步 测试星载天线和电推进系统。据the verge网站6月28日报道,太空探 索技术公司称此次发射的60颗试验卫星中已有45颗到达550千米的工作轨道、5颗处于轨道提升中、5颗正在 进行升轨操作前的检查、2颗将验证离轨技术、3颗已与地面失去联系。未来,该公司 将根据本次试验情况在今年安排2~6次“星链”业务卫星的发射计划,正式开 启星座建设工作。


一、60颗试验卫星基本情况


本次发射的60颗试验 卫星采用批量生产,质量227千克、与后续 计划发射的业务卫星(质量386千克)相比较轻,结构采 用独特的平板设计、与2018年已发 射的两颗试验卫星采用箱体结构明显不同,搭载了1副太阳能电池阵列、4副高通量天线、霍尔推力器、恒星敏 感器和自主避撞系统,但没有 搭载星间链路载荷,需要通过地面站连接。这些试验卫星退役后,仅需1~5年时间就可再入大气,且95%的元器 件将在大气层中烧毁。与传统卫星相比,此次发射的“星链”试验卫星在推力器、自主避 撞和部署方式等方面均采取了独特设计。


SpaceX的“星链”究竟特殊在哪里?

图1 “星链”试验卫星


一是霍 尔推力器利用氪为工质,成本更低。“星链”试验卫 星是人类历史上首次使用氪作为霍尔推力器工质的卫星。相比传统的氙,氪的价格更便宜,可以降 低卫星的生产成本,但比冲较小,在执行轨道提升、姿态保 持和任务末期的大气再入等任务时需要的时间更长。


二是搭 载自主避撞系统,降低撞击风险。“星链”试验卫 星可以获取美国国防部的太空物体跟踪数据,在需要 时可进行轨道调整,实现自主避撞,从而减 少人为操作失误,在太空 中最大限度避免卫星间、卫星与 太空碎片间的相互碰撞,降低卫 星在轨运行的风险。


三是依 靠火箭上面级转动进入预定轨道。本次发 射试验卫星总重超过13吨,是“猎鹰”-9火箭迄 今为止发射的最重载荷。与传统 利用弹簧或爆炸螺栓等物理分离的方式不同,本次发 射不单设弹簧或其他部署机构。发射前,60颗试验 卫星按顺序整齐的叠放在火箭的整流罩中。在火箭 到达预定位置后,试验卫 星随着火箭上面级的转动、利用预 先设置好的转动惯量缓慢地部署到440千米的低地球轨道,随后依 靠自身推力进入550千米、倾角53°的运行轨道。


二、“星链”星座基本情况


太空探索技术公司于2015年公布“星链”星座计划,致力于 为个人用户提供低时延的低地球轨道卫星宽带互联网服务。整个星 座采用先实现美国本土全境覆盖、后完成 全球覆盖的建设思路,将分三个阶段构建。



(一)初步覆盖

第一阶段用部署于24个550千米、倾角53°的轨道面上的1584颗Ka/Ku频段卫 星完成初步覆盖,每个轨道面66颗卫星,星座容量约30太比特/秒、时延15毫秒、可为每 个终端提供最高1吉比特/秒的数据传输速率,预计部署400颗卫星 后开始出售初期服务,2020年~2021年部署完800颗后可满足美国、加拿大 和波多黎各等国天基互联网需求。业务卫 星单星收拢尺寸4.0米×1.8米×1.2米,质量386千克,设计寿命5年,星下点覆盖范围半径1060千米、容量17~23吉比特/秒。


目前,从第75颗后的“星链”卫星已经重新设计,多数元 件将采用铝等熔点较低的材料,以代替原先的铁、钢和钛等,使卫星 重返大气层后完全烧尽,消除对地面的风险。根据卫星最初的设计,其铁制推力器、钢制反作用轮、碳化硅通信部件(可能是 用于星间链路的反射镜)等大气 再入时不能完全燃烧,将对人 类或地面的物体产生威胁。由于前75颗卫星 已经基本制造完成,所以这 些卫星的部分元件可能会落回地球,后续的 卫星将不会产生该问题。




(二)全球组网

第二阶段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4种不同轨道高度的2825颗Ka/Ku频段卫 星完成全球组网,其轨道面个数分别为32、8、5和6,各轨道面部署50~75颗卫星不等,预计2024年左右完成部署。




(三)能力增强

第三阶段由部署在335~345千米轨道高度的7518颗V频段卫 星组成轨道更低的低轨星座,增加星座容量。V频段的 星座将利用目前卫星通信很少采用的37吉赫~50吉赫范围内的频谱,与前两个阶段的Ka/Ku频段星 座共同为用户提供通信速率更快、时延更 低的宽带卫星通信服务。


2017年~2018年,“星链”星座的 所有发展计划均已得到美国联邦通信委员会的批准,获得了 在美国的落地权。此外,该星座 还引起了美国军方的特别关注,已于2018年获得 美国空军战略开发规划与实验办公室价值2870万美元的合同,用于在 未来三年内测试军方使用该星座服务的可行性与方式。


三、与“一网”星座对比


SpaceX的“星链”究竟特殊在哪里?


除“星链”星座外,国外的“一网”星座也提出较早、发展较快,两者具备以下异同:




(一)均已经 进入星座初步建设阶段

“星链”星座除此次发射的60颗试验卫星外,早已于2018年2月发射了2颗试验卫星。首批2颗试验 卫星目前运行状态良好,且正被 美空军战略开发规划与试验办公室测试通信能力。“一网”星座于2019年2月发射首批6颗试验卫星,正在对 星座的卫星设计概念和系统设计方案进行全面演示验证。




(二)采用不同的系统架构

“星链”星座采用“天星天网”架构,将卫星 作为网络传输节点,通过星 间链路建立高速宽带通信网络,用户可 直接接入卫星互联网络,不需经过地面系统。“一网”星座采用“天星地网”架构,将卫星 作为连通用户终端和网关站的通道,卫星间没有星间链路,从网关 站接入地面通信网络,通过全 球分布的地面站实现整个系统的全球服务能力。




(三)星座建 设与运营模式不同

“星链”和“一网”星座均 致力于为全球用户提供宽带接入服务,但却采 取不同的建设与运营模式。


“星链”星座的 卫星研制与生产、卫星发射、星座运营等均由SpaceX公司一力承当。由于SpaceX公司拥 有自己的火箭及可重复使用发射技术,因此将降低“星链”星座的发射成本。


“一网”星座却 实现了全产业链条要素的垂直整合,在卫星制造、发射、运行和 营销等各个环节强力联合了一网公司、软银集团、空客防务与航天公司、休斯网络系统公司、阿里安航天公司、蓝色起源公司、罗克韦尔o柯林斯公司、高通公司、可口可乐公司、俄罗斯信使公司、塔利亚公司、意大利 因特马蒂奇公司等龙头企业,形成了一个利益集团。


表1 “星链”星座和“一网”星座情况及性能对比

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四、几点认识





(一)追求实 现星座建设运行整体最优


太空探 索技术公司采用系统思维,对“星链”星座建 设运行进行多方面优化,力求实现整体最优。一方面,“星链”星座规模巨大、卫星总数将达到12000颗,卫星之间互为备份,即使少 数卫星性能出现故障或失效,也不会 影响整个星座运行。另一方面,卫星追求快速迭代,每颗卫 星的设计寿命仅为5年左右、低于传 统高轨通信卫星寿命,不仅可 以大幅降低单星可靠性设计要求,而且可 以在部署过程中,根据积累的实践经验、最新的用户需求、先进技 术的发展等不断更新优化。


例如,“星链”后续部 署的卫星还将加装星间激光通信、再入大气实现星体100%烧毁等功能。此外,“星链”卫星的 设计和发射均由太空探索技术公司承担,因而可 以开展星箭一体优化设计,形成能 够最大限度利用运载火箭能力和整流罩内包络的方案,进一步 降低星座建设成本。





(二)面临多 方面的星座建设和运行挑战


一方面,“星链”星座计 划在低地球轨道上部署近12000颗卫星,规模达 到目前在轨工作卫星的5倍左右,建设成本预计将达到100亿美元,太空探 索技术公司将面临巨大的融资压力。另一方面,“星链”星座虽 然已获得美国联邦通信委员的落地许可,但其要 求必须在获批的6年内完 成部署一半的卫星、9年内完 成部署所有卫星的要求。这对卫星的批量生产、批量发射、按需离轨、运营管 理以及用户终端研制等能力均提出了巨大的挑战。


此外,低轨卫 星互联网星座将为个人用户提供获得宽带接入服务的新途径,对政府 传统信息内容安全监管方式带来新的挑战,已成为 主要航天国家关注的焦点和安全防范的重点。“星链”星座想 在全球范围提供互联网宽带无缝接入服务,能否通 过各国的安全风险评估并获得落地许可将面临巨大挑战。





(三)面临“一网”等同类 星座的激烈竞争


低轨卫 星互联网星座已成为世界通信卫星近期发展的热点与重点。2019年2月发射试验卫星的“一网”星座、2018年发射1颗试验卫星的加拿大“电信卫星”星座和亚马逊公司2019年刚提出的“柯伊伯”星座等,均有可能成为“星链”星座的竞争对手。结合各 星座的进展情况来看,“一网”星座对“星链”星座的 竞争压力可能最大。


不过,与“一网”星座在卫星的生产、发射、运营等 环节更多依靠与空客防务与航天公司、休斯网络系统公司、阿里安航天公司、蓝色起 源公司等企业强强联合不同,“星链”星座建 设运行基本由太空探索技术公司一力承担,其星座建设的成本、进度和 质量的可控程度可能会更高。



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